(57)【要約】  【課題】  小型化と長寿命化、低コスト化、高信頼性化が得られるようにした扁平形電解コンデンサ及び電力変換装置を提供すること。  【解決手段】  正極箔及び負極箔を絶縁部材と共に扁平形状に巻回してなるコンデンサ素子を扁平有底缶形状の金属ケース１に収容し、この金属ケース１の開口部を正極端子３と負極端子４が貫通している封口板２で封止した扁平形電解コンデンサ１００において、正極端子３と負極端子４に、金属ケース１の短径方向(図２では上下方向になる)に伸びた円柱部５、６を形成し、これら円柱部５、６には、金属ケース１の短径方向に向う雌ネジ孔７、８を設け、電力変換装置に組み込んだとき、これら円柱部５、６によりバスバーが接続できるようにしたもの。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁部材で隔離した正極箔と負極箔を扁平形状に巻回してなるコンデンサ素子と、開口端部が形成され前記コンデンサ素子を収容する扁平有底缶形状の金属ケースと、前記開口部を封止する封口板と、一方の端部が前記金属ケース内で前記正極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している正極端子と、一方の端部が前記金属ケース内で前記負極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している負極端子とを備えた扁平形電解コンデンサにおいて、
前記正極端子及び負極端子は、前記金属ケースの長径方向に並んだ状態で前記封口板から前記金属ケースの軸方向に突出され、前記他方の端部には各々前記金属ケースの短径方向に突出した部分を備え、当該部分に前記金属ケースの短径方向に雌ネジ孔が設けられていることを特徴とする扁平形電解コンデンサ。
【請求項２】
絶縁部材で隔離した正極箔と負極箔を扁平形状に巻回してなるコンデンサ素子と、開口端部が形成され前記コンデンサ素子を収容する扁平有底缶形状の金属ケースと、前記開口部を封止する封口板と、一方の端部が前記金属ケース内で前記正極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している正極端子と、一方の端部が前記金属ケース内で前記負極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している負極端子とを備えた扁平形電解コンデンサにおいて、
前記正極端子及び負極端子は、前記金属ケースの長径方向に並んだ状態で前記封口板から前記金属ケースの軸方向に突出され、前記他方の端部には各々前記金属ケースの短径方向に雌ネジ孔が設けられていることを特徴とする扁平形電解コンデンサ。
【請求項３】
複数の半導体素子が搭載された半導体モジュールと、前記半導体モジュールの半導体素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路と、冷却器と、この冷却器に取付けた電解コンデンサを備えた電力変換装置において、
前記電解コンデンサとして、請求項１又は請求項２に記載の扁平形電解コンデンサを用いたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記扁平形電解コンデンサは、ほぼコ字形をした取付金具により、熱伝導性の弾性部材を介して前記冷却器に固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記熱伝導性の弾性部材は、前記扁平形電解コンデンサと前記取付金具の間にも介在されていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、扁平形電解コンデンサ及びそれを用いた電力変換装置に係り、特に交流電動機駆動用のインバータに好適な扁平形電解コンデンサと電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネや大気汚染抑制の見地から、ハイブリッド車も含めて電気自動車に注目が集まっているが、この場合、走行駆動用のモータには、主として誘導電動機や同期電動機などの交流電動機が使用され、このため電力変換装置が必要になる。
【０００３】
このとき使用される電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する、いわゆるインバータと呼ばれる装置であるが、これには、かなり大容量のコンデンサが必要であり、このため、一般には電解コンデンサが搭載されている。
【０００４】
このとき、小型化と長寿命化、低コスト化、それに高信頼性化は、機器の種別を問わず常に普遍的な命題であり、このことは電解コンデンサ自体や電力変換装置に搭載される電解コンデンサについても例外ではなく、電解コンデンサの小型化に関連した技術として扁平形コンデンサが従来から提案されており(例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３など参照。)、高信頼性化に関連しては、冷却性の向上をはかる手段が従来技術として提案されている(例えば、特許文献３参照。)。
【特許文献１】実開平１−５２２２９号公報
【特許文献２】特開２００１−７６９７７号公報
【特許文献３】特開２００２−１５９５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術は、電解コンデンサの端子構造に配慮がされておらず、電力変換装置に搭載した際の小型化、低コスト化、低インダクタンス化に問題があった。
【０００６】
電解コンデンサは、電力変換装置に搭載された場合、電力変換を担っている半導体モジュールとバスバー(母線)で接続して使用されるが、このときのバスバー(ブスバーとも呼ばれている)の接続には、電解コンデンサが寿命をもち、ある期間で交換を要する点に配慮して、ボルトやビスによるねじ止めを用いるのが一般的であるが、このとき従来技術による扁平形電解コンデンサを電力変換装置に用いた場合、その端子構造に起因してバスバーの接続方向に制約を受け、このため小型化、低コスト化、低インダクタンス化に問題が生じてしまうのである。
【０００７】
本発明の目的は、小型化と長寿命化、低コスト化、高信頼性化が得られるようにした扁平形電解コンデンサ及び電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、絶縁部材で隔離した正極箔と負極箔を扁平形状に巻回してなるコンデンサ素子と、開口端部が形成され前記コンデンサ素子を収容する扁平有底缶形状の金属ケースと、前記開口部を封止する封口板と、一方の端部が前記金属ケース内で前記正極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している正極端子と、一方の端部が前記金属ケース内で前記負極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している負極端子とを備えた扁平形電解コンデンサにおいて、前記正極端子及び負極端子は、前記金属ケースの長径方向に並んだ状態で前記封口板から前記金属ケースの軸方向に突出され、前記他方の端部には各々前記金属ケースの短径方向に突出した部分を備え、当該部分に前記金属ケースの短径方向に雌ネジ孔が設けられているようにして達成される。
【０００９】
同じく、上記目的は、絶縁部材で隔離した正極箔と負極箔を扁平形状に巻回してなるコンデンサ素子と、開口端部が形成され前記コンデンサ素子を収容する扁平有底缶形状の金属ケースと、前記開口部を封止する封口板と、一方の端部が前記金属ケース内で前記正極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している正極端子と、一方の端部が前記金属ケース内で前記負極箔に接続され他方の端部が前記封口板を貫通して外部に露出している負極端子とを備えた扁平形電解コンデンサにおいて、前記正極端子及び負極端子は、前記金属ケースの長径方向に並んだ状態で前記封口板から前記金属ケースの軸方向に突出され、前記他方の端部には各々前記金属ケースの短径方向に雌ネジ孔が設けられているようにしても達成される。
【００１０】
次に、上記目的は、複数の半導体素子が搭載された半導体モジュールと、前記半導体モジュールの半導体素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路と、冷却器と、この冷却器に取付けた電解コンデンサを備えた電力変換装置において、前記電解コンデンサとして、請求項１又は請求項２に記載の扁平形電解コンデンサを用いるようにして達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡単な構造で電力変換装置の小型化、低コスト化、長寿命化、高信頼性化が同時に達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による扁平形電解コンデンサ及びそれを用いた電力変換装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による偏平形電解コンデンサの第１の実施形態の斜視図で、図２は、同じく正面図であり、これらの図において、この実施形態に係る偏平形電解コンデンサを１００で表わす。そして、これらの図において、１は金属ケース、２は封口板、３は正極端子、４は負極端子である。
【００１４】
そして、まず、金属ケース１は、例えばアルミニウムなど放熱性に優れた金属により、軸方向の一方の端が開口部になっている有底缶形状の部材として作られていて、中にコンデンサ素子を収容する働きをする。このときコンデンサ素子は、図示されていないが、アルミニウムの正極箔と負極箔を、例えばコンデンサペーパなどの多孔質薄膜状の絶縁部材からなるセパレータで隔離した上で、一緒に扁平形状に巻回して構成されている。
【００１５】
次に、封口板２は、金属ケース１の開口部を封止し、この金属ケース１内に収容されているコンデンサ素子を保護し当該コンデンサ素子に含浸された電解液が流出するのを防止する働きをすると共に、正極端子３と負極端子４を備えた端子板としての働きをするもので、このため、正極端子３と負極端子４と一緒に、例えばプラスチック材などの絶縁材料によりモールド成形されている。
【００１６】
また、この封口板２には圧力開放弁９が設けてあり、コンデンサ素子が発熱し、電解液が気化して金属ケース１内の圧力が上昇したとき開放される安全弁として働くようになっている。なお、この圧力開放弁９は、通常、封口板２の一部に厚さの薄い部分、つまり肉薄部を形成し、内部の圧力により容易に破れて開口するようにしたものである。
【００１７】
次に、正極端子３と負極端子４は、例えばアルミニウムなどで作られていて、金属ケース１の長径方向(図２では左右方向になる)に並んだ状態で封口板２を貫通している。そして、これら正極端子３と負極端子４は、それらの金属ケース１の中にある方の端部がコンデンサ素子の正極箔と負極箔に接続されている。
【００１８】
一方、正極端子３と負極端子４の金属ケース１の外側にある部分は、封口板２から金属ケース１の軸方向(図２では紙面に垂直な方向になる)に突出されていて、この突出されている部分に、金属ケース１の短径方向(図２では上下方向になる)に伸びた円柱部５、６が形成してある。
【００１９】
このとき、これら円柱部５、６については、正極端子３側にある方と負極端子４側にある方とで長さが変えてあり、この実施形態の場合、負極端子４側にある円柱部６の方が、正極端子３側にある円柱部５より長くしてある。そして、これら円柱部５、６には、金属ケース１の短径方向に向う雌ネジ孔７、８が切ってある。
【００２０】
次に、図３は、本発明の第２の実施形態に係る扁平形電解コンデンサ２００を示したもので、この図において、１０、１１は雌ネジ孔であり、その他の構成は、図１と図２に示した第１の実施形態に係る扁平形電解コンデンサ１００と同じである。そして、この第２の実施形態における雌ネジ孔１０、１１は、それぞれ正極端子３と負極端子４に直接、金属ケース１の短径方向に向かって形成されている。
【００２１】
従って、この第２の実施形態に係る扁平形電解コンデンサ２００は、第１の実施形態に係る扁平形電解コンデンサ１００の円柱部５、６を削除し、正極端子３と負極端子４に雌ネジ孔１０、１１によるネジ止め面を形成したものに相当する。そして、このときも正極端子３と負極端子４で、それぞれのネジ止め面の位置、つまり金属ケース１の短径方向での位置が変えてあり、この実施形態の場合、負極端子４側の方が、正極端子３側より高く(図３の場合)してある。
【００２２】
ここで、以上に説明した実施形態に係る扁平形電解コンデンサは、電力変換装置に適用するのに好適であり、従って、次に、本発明による扁平形電解コンデンサを用いた電力変換装置について、図４と図５、図６、それに図７を用いて説明する。
【００２３】
ここで、これらの図は何れも本発明による電力変換装置の一実施形態で、このとき、まず図４は平面図で、この図では、制御基板とカバー及び制御信号伝達用の配線は省略してある。次に図５は側断面図であるが、ここで図４とは左右を入れ替えて描いてあり、説明のため側壁は図示してない。また図６は縦断面図で、電解コンデンサの取付部分を抜き出して示したものである。そして、図７は回路図である。
【００２４】
ここで、まず、この実施形態では、電力変換用のスイッチング素子として６個のＭＯＳＦＥＴ２４〜２９を用いている。但し、直流電源電圧によっては、ＩＧＢＴやサイリスタ及びＧＴＯなどの半導体素子を採用することもできる。
【００２５】
これらのＭＯＳＦＥＴ２４〜２９は、例えばハンダ付けにより、絶縁基板３０〜３５の導体層の上に実装される。このとき、更に絶縁基板３０〜３５も、同じくハンダ付けにより金属ベース板７１の上に実装されるが、この金属ベース板７１には、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導性、導電性に優れた金属が用いられている。
【００２６】
正側入力バスバー２０及び負側入力バスバー１６は、特に図５に良く表わされているように、合成樹脂製の絶縁部１７を挟んで積層されている。そして、これらの一方の端部は樹脂ケース６０の側壁から突出され、それぞれ正側入力端子２０ｄと負側入力端子１６ｄを形成している。
【００２７】
また、これら正側入力バスバー２０と負側入力バスバー１６の他方の端部は、特に図４に良く表わされているように、樹脂ケース６０の内部で３本の正側入力バスバー２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、同じく３本の負側入力バスバー１６ａ、１６ｂ、１６ｃに分かれて樹脂ケース６０の内部に伸び、金属ベース７１の上に絶縁層を介して固着されている。
【００２８】
また、この金属ベース７１の上には、同じく絶縁層を介して、３本の交流出力バスバー２１、２２、２３が固着されている。そして、これらは樹脂ケース６０の端部の外壁から交流出力端子２１ａ、２２ａ、２３ａとなって、それぞれ突出している。
【００２９】
そして、これらの図において、３８〜４３は制御信号用端子で、Ｌ字型に折り曲げられていて、これにより、特に図５に示されているように、一方の端部が制御用回路基板７２を貫いて上方に突出している。このとき制御用回路基板７２は、雌ネジ孔５０〜５９により、樹脂ケース６０と冷却器３７の側壁４７に取付けられるようになっている。なお、冷却器３７とは放熱フィンのことである。
【００３０】
ここで、６個のＭＯＳＦＥＴ２４〜２９と絶縁基板３０〜３５の導体層、入力バスバー１６、２０、交流出力バスバー２１、２２、２３、それに制御信号用端子３８〜４３は、それぞれアルミニウムなどの導電性に優れたワイヤでボンディングされ、これにより、樹脂ケース６０の中に、図７に示す３相インバータ回路を搭載した半導体モジュールが構成されることになる。
【００３１】
そして、この後、樹脂ケース６０内には、必要に応じて、例えばシリコンゲルが満たされ、保護と熱伝導性の向上が図られるが、このとき樹脂ケース６０は、ＰＢＴ(ポリブチルテレフタレート)やＰＰＳ(ポリフェニレンサルファイド)などの強度と耐熱性、それに絶縁性に優れた材料で作られるのが通例である。
【００３２】
ところで、このようなインバータ回路の場合、電源電圧の平滑化のため、図７に示すように、コンデンサが用いられるが、このとき、この実施形態では、本発明の第１の実施形態に係る扁平形電解コンデンサ１００を２個用い、これらを正側入力バスバー２０と負側入力バスバー１６の間に並列に接続するようになっている。
【００３３】
そこで、これらの扁平形電解コンデンサ１００は、ほぼコの字形をした取付金具１４により冷却器３７に取付けられて使用されるが、このとき冷却器３７に押し付けられた状態で取付けられるようにし、これにより扁平形電解コンデンサ１００と冷却器３７の密着が充分に得られるようにする。このため取付金具１４には、例えばアルミニウムなど、強度と熱伝導性に優れた金属が用いられ、更に補強用としてリブ１４ａが折り曲げ形成してあり、ネジ４４、４５により冷却器３７に固定されるようになっている。
【００３４】
また、これと共に扁平形電解コンデンサ１００と冷却器３７の間には熱伝導性シート３６を挟み、更に扁平形電解コンデンサ１００と取付金具１４の間にも熱伝導シート１５を挟んでいる。このとき、これら熱伝導シート１５、３６には、例えばシリコン樹脂など、熱伝導性と絶縁性に優れた弾性部材が用いられている。
【００３５】
そして、まず、ネジ１８ａ、１８ｂにより、正側入力バスバー２０を扁平形電解コンデンサ１００の正極端子３にある円柱部５に取付け、これにより扁平形電解コンデンサ１００の正極端子３と正側入力バスバー２０の接続が与えられるようにする。このとき正側入力バスバー２０には負側入力バスバー１６が重ねられているので、ネジ１８ａ、１８ｂを挿入するための大きな孔が正側入力バスバー２０に設けてある。
【００３６】
次に、ネジ１９ａ、１９ｂにより、負側入力バスバー１６を負極端子４にある円柱部６に取付け、同じく扁平形電解コンデンサ１００の負極端子４と負側入力バスバー１６の接続が与えられるようにする。なお、このときの取付に順序はなく、この負側入力バスバー１６の取付けを先にしてもよい。
【００３７】
この後、制御用回路基板７２を、上記したようにして取付け、必要な配線を施して制御信号用配線取り出し口４８から外部に引出した上で雌ネジ孔６１〜７０により、カバー７３を取付けることにより、電力変換装置として完成される。
【００３８】
なお、このとき制御信号用配線取り出し口４８は、固定金具４９により取付けられている。また、この実施形態では、冷却器３７の側壁に呼吸管４６が設けてあり、これにより内部の圧力変化が緩和されるようになっている。
【００３９】
そして、以上の結果、この実施形態によれば、小型化と長寿命化、低コスト化、高信頼性化が得られることになるが、以下、この点について説明する。
【００４０】
まず、本発明の実施形態による扁平形電解コンデンサ１００は、その名の通り扁平形であることから、金属ケース１の短径方向が取付面に対して上下方向になるようにして、冷却器３７に取付けることができ、この結果、冷却に有利になると共に、正極端子３と負極端子４が、冷却器３７の取付面と平行に並ぶようにして取付けることができる。
【００４１】
また、この扁平形電解コンデンサ１００では、正極端子３と負極端子４が円筒部５、６を備え、これらに金属ケース１の短径方向に向かって雌ネジ孔７、８が設けてあり、このとき、円筒部５、６の長さが違えてある。
【００４２】
従って、この実施形態に係る電力変換装置のように、冷却器３７の取付面と平行に配置されていて、しかも、絶縁部１７を挟んで積層されている正入力側バスバー２０と負側入力バスバー１６に対しても、扁平形電解コンデンサ１００の正極端子３と負極端子４をそれぞれ直接取付けることができる。
【００４３】
従って、この実施形態によれば、従来技術では必要とした中継用バスバーが省略でき、且つ中継用バスバーがなくなれば、その接続に必要なネジもなくすことができるので、回路インダクタンスを低減させることができ、この結果、半導体素子のスイッチング時に発生するサージ電圧が抑制できるので、電力変換装置の高信頼性化が達成できる。
【００４４】
また、サージ電圧が抑制できることから、この実施形態によれば、より耐圧の低い半導体素子が使用でき、この結果、電力変換装置の低コスト化を得ることができる。しかも耐圧が低い半導体素子はオン抵抗も小さくなるので、半導体素子の損失が減少し、発熱が少なくなるので、電力変換装置の長寿命化及び高性能化が達成でき、且つ、冷却器の簡易化及び小型化が達成できる。
【００４５】
次に、この実施形態によれば、中継バスバーとネジが不要になるので、部品数と組み付け要するスペースが削減でき、この結果、更に小型化、低コスト化につながり、しかも配線が短くて済むので、配線抵抗が減少し、この結果、損失が抑えられるので電力変換装置の効率も改善できる。
【００４６】
更に、この実施形態によれば、扁平形電解コンデンサ１００の正極端子３と負極端子４が各々円筒部５、６を備え、これらに金属ケース１の短径方向に向かって雌ネジ孔７、８が設けてあるので、各部の組み付けに必要なネジ止め作業が、図５の矢印Ａで示してあるように、全て一方向から行えることになり、従って、組み立て性が改善され、更に低コスト化が期待できる。
【００４７】
ところで、この実施形態では、扁平形電解コンデンサ１００の取付けに弾性部材作られている熱伝導シート１５、３６が用いられていて、扁平形電解コンデンサ１００は、取付金具１４により冷却器３７に取付けられた状態でも多少は動けるようになっている。
【００４８】
従って、この実施形態によれば、扁平形電解コンデンサ１００や樹脂ケース６０、負側入力バスバー１６、それに正側入力バスバー２０に寸法誤差があった場合でも、ネジ止めに起因する歪みや応力を緩和することができる。
【００４９】
言うまでもなく、扁平形電解コンデンサ１００や樹脂ケース６０、負側入力バスバー１６、それに正側入力バスバー２０などには、多少にかかわらず寸法誤差の存在が不可避であり、従って、前記の歪みや応力の緩和は、この実施形態のように、扁平形電解コンデンサ１００と負側入力バスバー１６及び正側入力バスバー２０を直接接続する場合には欠かすことのできない技術である。
【００５０】
更に、この実施形態では、扁平形電解コンデンサ１００を用いた結果、冷却器３７に対する接触面積が広くできるようになり、コンデンサ素子から発生される熱が効率よく伝達される。従って、この実施形態によれば、温度上昇の抑制による電解コンデンサの小型化と長寿命化を得ることができる。
【００５１】
なお、以上は、扁平形電解コンデンサ１００を用いた電力変換装置の実施形態について説明したが、本発明による電力変換装置は、図３により説明した扁平形電解コンデンサ２００を用いて実施することも可能であり、この場合、扁平形電解コンデンサ１００の端子に設けられている円筒部５、６に類似した部材を別途用意し、これを扁平形電解コンデンサ２００の正極端子３と負極端子４に適用してやればよい。
【００５２】
本発明は、モータ駆動用の電力変換装置として、ほとんど全ての分野において利用可能であり、例えば産業用ロボット、鉄道、家電製品などに利用できる。特に設置スペースが制限される用途、設置環境温度が高い用途、又は冷却設備に制限がある用途、例えば車載用モータを駆動する電力変換装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明による扁平形電解コンデンサの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明による扁平形電解コンデンサの第１の実施形態を示す正面図である。
【図３】本発明による扁平形電解コンデンサの第２の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明による電力変換装置の一実施形態を示す平面図である。
【図５】本発明による電力変換装置の一実施形態を示す側断面図である。
【図６】本発明による電力変換装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図７】本発明による電力変換装置の一実施形態を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：金属ケース
２：封口板
３：正極端子
４：負極端子
７、８、１０、１１、５０〜５９、６１〜７０：雌ネジ孔
９：圧力開放弁
１００、２００：扁平形電解コンデンサ
１４：取付金具
１５、３６：熱伝導シート
１６：負側入力バスバー
１７：絶縁部材
１８、１９、４４、４５：ネジ
２０：正側入力バスバー
２１、２２、２３：交流出力バスバー
２４〜２９：ＭＯＳＦＥＴ
３０〜３５：絶縁基板
３７：冷却器(放熱フィン)
３８〜４３：制御信号用端子
４６：呼吸管
４７：側壁
４８：制御信号用配線取り出し口
４９：固定金具
６０：樹脂ケース
７１：金属ベース板
７２：制御用回路基板
７３：カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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